基于ANSYS Workbench的半軸靜力仿真分析

趙磊+包文文+馬源

摘 要：基于半浮式半軸結構，采用ANSYS Workbench進行受力分析，確定半軸在垂向力和扭矩復合作用下的應力分布情況。CAD建模和CAE分析兩者的結合可縮短半軸的設計及制造成本。該方法具有普遍性，對全面提升汽車關鍵受力構件的設計水平和設計質量具有重要現實意義。

關鍵詞：半浮式半軸；CAD三維建模；ANSYS Workbench有限元分析；靜力分析

中圖分類號： U462 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2017）06-155-2

1 概述

半軸是介于差速器和驅動輪之間傳遞動力的實心軸，是傳動系統的重要零部件之一。半軸內端設置花鍵與差速器的半軸齒輪連接，外端通過凸緣與驅動輪的輪轂相連。現在汽車半軸分為全浮式半軸支承和半浮式半軸支承，典型的半浮式半軸結構如圖1所示。

半浮式半軸廣泛應用在承受反力和彎矩較小的汽車上，半浮式半軸只能使半軸內端免受彎矩，而外端則承受全部彎矩[1]。

半浮式半軸同時承受扭矩和彎矩，工作環境比較惡劣，確定其應力分布是非常重要的，因此對半浮式半軸進行靜力分析。應用最廣泛的分析類型是線性靜力分析，常用于線彈性材料，靜態加載等情況。在靜態載荷作用下應充分考慮結構的約束，忽略對計算結果無影響的慣性，阻尼以及質量。

由經典力學理論可知，物體的動力學通用方程為：

2 半軸三維模型的建立

CATIA V5是IBM和法國達索公司共同研發的三維設計軟件，大量應用在零部件建模、車身外型設計、機械加工及分析以及模擬等方面[3]。

應遵循適當的原則和方法來建立三維實體模型：

①保證滿足模型質量基本要求。要保證模型與實體高度吻合以及可靠性等方面。

②建模之前應確定正確的建模順序和方法。

③建模過程中可應用基準平面等輔助建模。利用“分析”和“工具”中的有關功能及時檢查參數，避免出錯[4]。

基于幾何模型的特點進行簡化處理。主要簡化方法有：非必要的圓角可以省略；工藝結構省略掉；非重要區域的小尺寸細節可刪除；對非危險區的小尺寸細節結構進行簡化。根據假設及特征簡化，應用CATIA V5軟件繪出的半軸實體模型如圖2所示。

3 半軸有限元分析

ANSYS Workbench 是新一代有限元分析環境和應用平臺，有限元分析流程分為：建立三維模型，簡化建立有限元分析模型，網格劃分，施加邊界條件及載荷條件，進行有限元分析，驗證有限元分析結果[5]。

3.1 網格劃分及材料的選取

網格劃分是有限元分析的重要環節，應遵循以下基本原則：

①網格數量：計算精度和工作量與網格數量的多少成正比。

②單元階次：在靜態分析中，選擇高階單元，可以提高分析精度。鑒于計算精度和工作量的關系，對應力梯度較大的區域網格進行加密處理。

③網格分界面和分界點：結構中可分為網格邊界或節點，來定義材料屬性、載荷等約束條件。

④網格質量：是指網格幾何形狀的合理性。網格質量直接影響計算精度。在劃分網格時應保證網格質量滿足某些指標，在受力、力矩梯度較高處盡量細化網格，而在受力、力矩梯度較小的區域，可適當降低網格質量。

⑤網格疏密：網格疏密是指為了適應計算分析而在結構的不同部位采用大小不同的網格。為了提高計算精度，在應力集中的部位，采用密集的網格劃分。而在非重要部位適當地劃分相對稀疏的網格。

⑥位移協調性：是指通過單元節點傳遞單元上的力和力矩。一個單元的節點同時也是相鄰單元的節點，相鄰單元包含的節點具有相同的自由度。采用自適應四面體網格對半軸進行網格劃分足以滿足要求，單元尺寸選取為0.5mm。網格劃分結果共有1319020個節點，773456個單元。

本文半浮式半軸的材料為合金結構鋼，壓縮屈服強度為250MPa；拉伸屈服強度為250MPa；抗拉極限強度460MPa。表1列舉了汽車的各項參數，可計算出載荷，扭矩等數據。

有限元計算首先將實體模型進行網格劃分，離散為若干個單元，各單元之間通過節點相連，然后通過計算施加在節點上的約束和載荷完成有限元計算。

3.2 載荷加載及有限元分析

分別在內端花鍵端面和外端凸緣端面添加固定約束，在內端花鍵根部的支承處，即花鍵齒與半軸基體的過渡部分添加扭矩。在外端軸承處添加垂向力，經計算得扭矩為280N·m，最大垂向力為14375N。最終加載如圖3所示。

4 結論

在ANSYS Workbench環境下對半浮式半軸進行線性靜力分析，得到了應變及應力分布。從結果可以得出該半軸的彎扭復合應力滿足許用彎曲應力的要求，其最大變形符合國家標準。本文在建模和加載的過程中，做出了適當的簡化，分析結果有一定的誤差，但影響可以忽略。因此，該有限元仿真分析結果可以作為設計開發的有效參考，以縮短開發周期降低成本。半軸工作環境復雜多變，要完全切合實際的進行產品制造，還需要進一步分析驗證。

參 考 文 獻

[1] 陳家瑞.汽車構造（下）[M].北京：機械工業出版社，2009：151-153.

[2] 黃志新，劉成柱.ANSYS Workbench 14.0超級學習手冊[M].北京：人民郵電出版社，2013：165-167.

[3] 梁科，任燕.CATIA V5在汽車模具運動仿真的應用[J].機械工程與自動化，2015（5）：207-208.

[4] 王吉忠，沙德文，劉成極，等. 基于UG軟件的鼓式制動器三維建模與裝配[J].機械設計與制造，2008（2）：171-173.

[5] 王金杰.載貨車驅動橋殼疲勞強度分析及優化設計[D].山東：山東理工大學，2010.